1980-2017年北京地區沙塵天氣的變化特征及其可能成因

黃紅麗

摘要：利用1980-2017年北京地區沙塵天氣、風速、氣溫和降水資料以及1998-2017年沙源地衛星遙感植被和積雪覆蓋資料，研究了北京地區沙塵天氣的變化特征及其可能成因。結果表明：北京地區沙塵天氣以揚沙和浮塵為主、沙塵暴較少。沙源地植被覆蓋狀況是北京地區沙塵天氣的重要影響因子，沙源地植被指數增加則沙塵天氣減少;沙源地冬季積雪覆蓋面積增加對北京地區沙塵天氣減少具有一定影響。風速和氣溫是影響北京地區沙塵天氣的重要氣候因子，起風沙日數減少、氣溫上升則沙塵天氣減少;降水量增加對北京地區沙塵天氣減少具有較顯著影響。

Abstract： Based on the data of sand and dust weather， wind speed， temperature and precipitation in Beijing from 1980 to 2017， and the remote sensing vegetation and snow cover data in the sand source region from 1998 to 2017， this paper analyzes the variation characteristics of sand and dust weather in Beijing and its possible causes. Results show that： ①The sand and dust weather in Beijing mainly consists of blowing sand and floating dust， with few sandstorms. ②The vegetation coverage in the sand source region is an important factor that affects the occurrence of sand and dust weather in Beijing， and the sand and dust weather days decrease with the increase of vegetation index in the sand source region. The increase of winter snow cover area in the sand source region has certain influence on the decrease of sand and dust weather days in Beijing. ③Wind speed and temperature are the important climatic factors that affect the sand and dust weather in Beijing， that is， the sand and dust weather days decrease with the decrease of days with wind and sand and the rise of temperature. The increase of precipitation has a significant effect on the decrease of the sand and dust weather in Beijing.

關鍵詞：北京地區;沙塵天氣;植被指數;積雪覆蓋面積;氣候因子

Key words： Beijing area;sand and dust weather;vegetation index;snow cover area;climate factors

中圖分類號：[P445+.4] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0177-04

0 ?引言

沙塵天氣是在特定地理環境和大尺度環流背景下誘發的一種災害性天氣（陳曉光等，2004），對生態環境、建筑、交通和人類健康可造成不可避免的危害（葉篤正等，2000;周子江等，2003）。因此，沙塵天氣研究歷來受到高度重視（王式功等，2000）。

許多學者對中國北方及北京地區沙塵天氣的演變規律、影響因素及其沙源地進行了深入研究，取得諸多成果。周自江和章國材（2003）認為，1954-2002年中國北方地區大部分的沙塵暴和揚沙發生頻率總體呈波動減小趨勢，只有小部分地區的少數時間呈增長趨勢。葉篤正等（2000）研究了1960-2000年華北沙塵天氣的成因及發展趨勢，認為局部地表覆蓋狀況是強沙塵天氣產生的重要原因之一。高慶先等（2002）研究了1954-2001年北京地區沙塵天氣的發生頻率、發生規律和空間分布特征，以及北京地區沙塵暴的沙源地和本地影響。張小玲等（2005）針對2000-2002年北京沙塵天氣增加和2003年沙塵天氣迅速減少的現象，統計分析了近幾年北京沙塵天氣特征，并從大氣環流形勢、氣候特點、氣象要素以及可能影響北京沙塵天氣的沙源狀況進行了研究。邱玉珺等（2008）認為，渾善達克沙地是北京沙塵暴天氣的主要外地來源，外地沙源對浮塵、沙塵暴、揚沙天氣的影響概率分別約為北京本地影響的4.6、2.2和1.6倍，北京本地自然因素對揚沙和沙塵暴天氣的影響概率約為人為因素影響的4倍。鄭新江等（2004）、張志剛等（2007）、張鈦仁等（2012）對影響北京地區沙塵天氣的沙源地范圍進行研究，認為影響北京地區的沙源地為中國北部以及西北地區;元天剛等（2016）認為1961-2010年中國北方沙塵源區的沙塵強度呈明顯減小趨勢。

北京地區是我國沙塵天氣較為嚴重的區域之一，研究北京地區沙塵天氣的變化特征及其成因，對提高沙塵天氣的預報準確率，控制和改善北京地區的大氣環境質量，以及做好防災減災和城市規劃工作具有重要的科學意義。目前采用最新資料來研究北京地區沙塵天氣特征及其成因的工作還較少，因此，本文擬采用1980-2017年北京地區的沙塵天氣資料等，分析北京地區沙塵天氣（包括沙塵暴、揚沙、浮塵）的年際變化特征，并探討北京地區沙源地下墊面狀況及相關氣候因子與沙塵天氣的關系，期望為北京地區沙塵天氣防治及綜合防災減災提供理論依據，為北京城市規劃綜合考慮沙塵天氣因素影響等提供參考。

1 ?研究區域及資料和方法

1.1 研究區域和沙源地

本研究區域為北京地區，北京市南郊氣象觀測站是北京市氣象觀測代表站，位于北京市東南部大興區三臺山路亦莊橋北側（圖1）。張志剛等（2007）研究發現，北京地區的沙塵主要來自北部和西北地區，包括北京市以北的內蒙古自治區錫林郭勒盟、烏蘭察布市、包頭市、呼和浩特市和赤峰市，山西省朔州市和大同市，河北省張家口市和承德市等，面積達493883km2，其中巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠、毛烏素沙地和渾善達克沙漠是影響北京沙塵天氣的主要沙源地（圖2）。

1.2 資料來源和研究方法

本文氣象資料來自于北京市南郊氣象觀測站、衛星遙感植被資料來源于中國科學院資源環境科學數據中心網上公布資料、衛星遙感積雪資料來源于中國氣象局國家衛星氣象中心提供的美國NOAA衛星和中國風云三號氣象衛星觀測資料，其中氣象資料時段為1980-2017年、衛星遙感植被和積雪資料時段為1998-2017年。本文采用了趨勢分析、相關分析等統計方法。

2 ?沙塵天氣的年際變化特征

《地面氣象觀測規范 天氣現象》（GB/T 35224-2017）中將沙塵天氣分為沙塵暴、揚沙、浮塵3類。表1給出了1980-2017年北京地區沙塵暴、揚沙、浮塵發生天數及其總和（沙塵天氣發生總天數）的逐年變化情況。

由表1可知：①1980-2017年沙塵暴發生率為26.32%（共10a）。其中，1980-1995年為沙塵暴活躍期（共9a）、1980和1983年發生天數多達3d，1996-2017年為沙塵暴平靜期、僅2015年發生過1d。②1980-2017年揚沙發生率為94.74%（共36a）。其中，1980-1990年揚沙較活躍，除1987年7d和1989年2d外，其他年份均超過12d，1980年高達28d。從整體趨勢來看，1980-1997年揚沙發生天數呈波動減少趨勢，1998-2002年揚沙發生天數呈增加趨勢（2002年高達21d），2003年之后揚沙發生天數較少且相對穩定（僅2004和2006年超過4d）。③1980-2017年浮塵發生率為86.21%（共32a）。其中，2001和2006年浮塵發生天數大于10d，其他年份不超過8d。1980-2017年浮塵發生天數總體呈平穩偶有波動的變化特征。④從1980-2017年沙塵暴、揚沙、浮塵發生天數的總和（沙塵天氣發生總天數）來看，沙塵天氣發生率達97.37%（共37a），僅1997年未發生沙塵天氣。1980-2017年沙塵天氣發生總天數呈波動減少趨勢，其中1980年最多（32d），2000-2002年及2006年較多（≥22d），2007年之后較少且相對穩定（不超過8d）。

上述分析表明，1987-2017年北京地區揚沙發生率最高、浮塵次之、沙塵暴最低。3類沙塵天氣中揚沙發生天數最多（占沙塵天氣發生總天數的66.19%）、浮塵次之（占30.26%）、沙塵暴最少（占3.55%），表明1980-2017年北京地區3類沙塵天氣中以揚沙、浮塵為主，沙塵暴較少。從線性趨勢來看，1980-2017年北京地區沙塵暴、揚沙、浮塵發生天數以及沙塵天氣發生總天數均呈減少趨勢，減少率分別為0.338、3.983、0.379和4.700d/（10a）。其中，沙塵暴和揚沙發生天數以及沙塵天氣發生總天數的減少率均通過了0.01信度的顯著性檢驗，減少趨勢明顯;而浮塵發生天數的減少率未通過0.05信度的顯著性檢驗，減少趨勢較弱。沙塵暴和揚沙發生天數減少趨勢明顯的原因可能是，沙塵暴和揚沙與周邊沙源地及本地沙塵源的關系更加密切，多年來北京市及其周邊沙源地注重實施還林還草工程，植被覆蓋程度增加，土地荒漠化現象減少，沙塵源減少，從而導致北京地區沙塵暴和揚沙發生頻次降低（尹曉惠等，2007）。

3 ?沙塵天氣的成因

3.1 沙塵天氣與沙源地下墊面的關系

3.1.1 沙塵天氣與沙源地植被的關系

歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）是反映地表植被狀況的定量值，可以表征地表植被覆蓋狀況（李苗苗等，2004）。由表2可知，1998-2017年沙源地NDVI呈上升趨勢，增長率為0.018/（10a），未通過0.05信度的顯著性檢驗;而沙塵天氣發生總天數（表1）則呈較明顯減少趨勢，減少率為6.015d/（10a），通過0.1信度的顯著性檢驗。北京地區沙源地NDVI與沙塵天氣發生總天數的相關系數為-0.511，通過了0.05信度的顯著性檢驗，表明兩者具有顯著的負相關關系，即北京地區沙源地NDVI增加，則北京地區沙塵天氣發生總天數減少，反之亦然。這表明，北京地區沙源地地表植被狀況是影響北京地區沙塵天氣發生的重要因子。張鈦仁等（2010）指出，北京地區沙源地的土地利用不完善、耕地增加、荒漠化嚴重等現象，都會增加北京地區沙塵天氣的發生頻次。反之，當沙源地植樹造林等活動增加、地表植被狀況向好、土地荒漠化減輕時，沙源地影響下的北京沙塵天氣發生總天數就會減少。

3.1.2 沙塵天氣與沙源地冬季積雪的關系

由表2可知，1998-2016年沙源地冬季積雪覆蓋面積呈上升趨勢，增長率為5.187萬km2/（10a），通過0.05信度的顯著性檢驗;而1999-2017年沙塵天氣發生總天數（表1）呈減少趨勢，減少率為8.123d/（10a），通過0.05信度的顯著性檢驗;沙源地1998-2016年冬季積雪覆蓋面積與1999-2017年沙塵天氣發生總天數（表1）的相關系數為-0.211，未通過0.05信度的顯著性檢驗，表明兩者具有較弱的負相關關系，即北京地區沙源地冬季積雪覆蓋面積增加，則北京地區次年沙塵天氣發生總天數減少，反之亦然。這表明北京地區沙源地冬季積雪覆蓋面積對北京地區沙塵天氣發生具有一定影響。

3.2 沙塵天氣與氣候因子的關系

3.2.1 沙塵天氣與風速的關系

通常以日平均風速大于5m/s的日數稱作起風沙日數（陳玉福和唐海萍，2005）。由表3可見，1980-2017年北京地區起風沙日數呈減少趨勢，減少率為5.439d/（10a），通過0.01信度的顯著性檢驗;隨著起風沙日數逐漸減少，沙塵天氣發生總天數逐漸降低，它們的相關系數為0.624，通過了0.01信度的顯著性檢驗，表明兩者具有顯著的正相關關系。由此可見，風速減弱導致沙塵天氣發生總天數明顯減少，風速是影響北京地區沙塵天氣發生的重要氣候因子。

3.2.2 沙塵天氣與氣溫的關系

由表3可知，1980-2017年北京地區氣溫呈增加趨勢，增長率為0.420℃/（10a），通過0.01信度的顯著性檢驗;隨著氣溫升高，北京地區沙塵天氣發生總天數減少，它們的相關系數為-0.527，通過了0.01信度的顯著性檢驗，表明北京地區沙塵天氣發生總天數與氣溫具有顯著的負相關關系。由此可見，氣溫升高導致沙塵天氣發生總天數明顯減少，氣溫也是影響北京地區沙塵天氣發生的重要氣候因子。

3.2.3 沙塵天氣與降水的關系

由表3可知，1980-2017年北京地區降水量呈弱的減少趨勢，減少率為6.543mm/（10a），未通過0.05信度的顯著性檢驗;北京地區降水量與沙塵天氣發生總天數的相關系數為-0.308，通過了0.1信度的顯著性檢驗，表明降水量與沙塵天氣發生總天數具有較顯著的負相關關系。由此可見，降水量是影響北京地區沙塵天氣較顯著的氣候因子。

4 ?結論

本文研究了北京地區浮塵、揚沙、沙塵暴發生天數以及沙塵天氣發生總天數的年際變化特征，探討了北京地區沙塵天氣與沙源地2種下墊面以及北京地區3種氣候因子的相關關系，得到以下結論：

①1980-2017年北京地區沙塵天氣中揚沙發生天數最多（占66.19%）、浮塵次之（占30.26%）、沙塵暴最少（占3.55%），表明北京地區3類沙塵天氣中以揚沙、浮塵為主，沙塵暴較少。1980-2017年北京地區沙塵暴、揚沙、浮塵發生天數以及沙塵天氣發生總天數均呈現減少趨勢，減少率分別為0.338、3.983、0.379和4.700d/（10a），其中沙塵暴、揚沙發生天數以及沙塵天氣發生總天數的減少趨勢明顯，而浮塵發生天數的減少趨勢則較弱。

②1998-2017年北京地區沙源地歸一化植被指數與沙塵天氣發生總天數存在顯著的負相關關系，表明沙源地植被覆蓋狀況對北京地區沙塵天氣發生具有重要影響;沙源地冬季積雪覆蓋面積與沙塵天氣發生總天數存在弱的負相關關系，表明沙源地冬季積雪覆蓋面積對北京地區沙塵天氣發生具有一定的影響。

③1980-2017年北京地區起風沙日數與沙塵天氣發生總天數存在顯著的正相關關系，表明風速對北京地區沙塵天氣發生具有重要影響;北京地區氣溫與沙塵天氣發生總天數存在顯著的負相關關系，表明氣溫對北京地區沙塵天氣發生具有重要影響;北京地區降水量與沙塵天氣發生總天數存在較顯著的負相關關系，表明降水量對北京地區沙塵天氣發生具有較顯著的影響。

致謝：南京信息工程大學倪東鴻博士對論文撰寫及修改給予指導，謹致謝忱！

參考文獻：

[1]陳曉光，張存杰，董安祥，等.甘肅省沙塵暴過程的劃分及統計分析[J].高原氣象，2004，23（3）：374-381.

[2]陳玉福，唐海萍.近50年首都圈沙塵暴的變化趨勢及其與氣溫、降水和風的關系[J].環境科學，2005，26（1）：32-37.

[3]高慶先，蘇福慶，任陣海，等.北京地區沙塵天氣及其影響[J].中國環境科學，2002，22（5）：468-471.

[4]李苗苗，吳炳方，顏長珍，等.密云水庫上游植被覆蓋度的遙感估算[J].資源科學，2004，26（4）：153-159.

[5]邱玉珺，牛生杰，鄒學勇，等.北京沙塵天氣成因概率研究[J].自然災害學報，2008，17（2）：93-98.

[6]王式功，董光榮，陳惠忠，等.沙塵暴研究的進展[J].中國沙漠，2000，20（4）：349-356.

[7]葉篤正，丑紀范，劉紀遠，等.關于我國華北沙塵暴的成因與治理對策[J].地理學報，2000，55（5）：513-521.

[8]尹曉惠，時少英，張明英，等.北京沙塵天氣的變化特征及其沙塵源地分析[J].高原氣象，2007，26（5）：1039-1044.

[9]元天剛，陳思宇，康麗泰，等.1961-2010年中國北方沙塵源區沙塵強度時空分布特征及變化趨勢[J].干旱氣象，2016，34（6）：927-935.

[10]張鈦仁，柴秀梅，李自珍.中國北方植被覆蓋度特征及其與沙塵暴關系[J].高原氣象，2010，29（1）：137-145.

[11]張鈦仁，張明偉，蔣建瑩.近60年北京地區沙塵天氣變化及路徑分析[J].高原氣象，2012，31（2）：487-491.

[12]張小玲，李青春，謝璞，等.近年來北京沙塵天氣特征及成因分析[J].中國沙漠，2005，25（3）：417-421.

[13]張志剛，高慶生，矯梅燕，等.影響北京地區沙塵天氣的源地和傳輸路徑分析[J].環境科學研究，2007，20（4）：21-27.

[14]鄭新江，楊義文，李云.北京地區沙塵天氣的某些特征分析[J].氣候與環境研究，2004，9（1）：16-23.

[15]周自江，章國材.中國北方的典型強沙塵暴事件（1954-2002年）[J].科學通報，2003，48（11）：1224-1228.

[16]朱吉生，李紀人，黃詩峰，等.近30年十大孔兌流域植被覆蓋度空間變化的遙感調查與分析[J].中國國土保持，2015（7）：68-70.